生物工藝學(xué)第八

生物工藝學(xué)國(guó)家十一五規(guī)劃教材《生物工藝學(xué)》（邱樹毅主編）配套課件

目錄第一章緒論第二章工業(yè)微生物菌種選育、制備與保藏第三章工業(yè)培養(yǎng)基及其設(shè)計(jì)第四章生物工藝過(guò)程中的無(wú)菌技術(shù)第五章生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第六章發(fā)酵過(guò)程原理第七章生物反應(yīng)器及生物工藝過(guò)程的放大第八章生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與控制第九章生物產(chǎn)品分離及純化技術(shù)第十章生物產(chǎn)品工藝學(xué)及應(yīng)用第八章生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與控制

8.1生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)8.2生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)

8.2.1直接狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)

8.2.2間接狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)

8.3生物反應(yīng)過(guò)程的自動(dòng)控制

8.3.1基本自動(dòng)控制系統(tǒng)

8.3.2發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

8.3.3先進(jìn)控制理論在發(fā)酵過(guò)程控制中的應(yīng)用

8.1生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)

生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)是發(fā)酵控制的重要依據(jù)，通過(guò)參數(shù)的變化趨勢(shì)，把握發(fā)酵變化規(guī)律，調(diào)整發(fā)酵控制方式，判斷發(fā)酵終點(diǎn)結(jié)束時(shí)間。根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)可將生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)分為：化學(xué)參數(shù)物理參數(shù)生物學(xué)參數(shù)生物反應(yīng)參數(shù)一覽表

參數(shù)種類參數(shù)名稱

參數(shù)單位

參數(shù)意義及主要作用

物理參數(shù)

溫度

K，℃

維持菌體正常的生長(zhǎng)、生產(chǎn)狀態(tài)

壓力

Pa

維持發(fā)酵罐正壓，增加溶氧、防止染菌

氣體流量

m3/h

反映供氧能力及排氣大小液體流量

m3/h

反映前體、碳源、氮源、消沫劑流加速率，體現(xiàn)菌體消耗基質(zhì)、前體、好氧等情況攪拌轉(zhuǎn)速

m3/h

物料混合，提高傳質(zhì)效率粘度

Pa·s

反映菌體生長(zhǎng)變化及對(duì)KLa影響發(fā)酵罐裝液量

L，m3

反映發(fā)酵液裝載量及其體積變化濁度

(透光率)%

反映菌體的生長(zhǎng)情況發(fā)酵液密度

g/cm3,Kg/m3

反映發(fā)酵液性質(zhì)泡沫液位

反映菌體代謝情況

生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)溫度發(fā)酵溫度維持在菌體生長(zhǎng)、生產(chǎn)的最適溫度范圍，有利于充分發(fā)揮菌體的生產(chǎn)能力，溫度的高低與發(fā)酵中的反應(yīng)速率、氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、菌體生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物合成速率等有密切關(guān)系。不同產(chǎn)品、發(fā)酵階段所需溫度不同。氣體流量也稱為通風(fēng)量，即每分鐘內(nèi)單位發(fā)酵液中通入空氣的體積，在好氧的發(fā)酵過(guò)程中，均要連續(xù)(或間歇)往反應(yīng)器中液體通入大量的無(wú)菌空氣，以達(dá)到預(yù)期的混合效果和溶氧速率，在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中還能對(duì)發(fā)酵溫度進(jìn)行一定的控制。通氣量過(guò)高會(huì)引起泡沫多，造成逃液、固態(tài)發(fā)酵水分損失大耗能高。壓力是指發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵罐所維持的壓力大小，罐內(nèi)維持正壓可以防止外界環(huán)境中的雜菌侵入而避免污染。同時(shí)罐壓的高低還與氧和二氧化碳的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)液體流量

對(duì)發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過(guò)程，均需連續(xù)或間歇往反應(yīng)器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和生產(chǎn)效率。另外，對(duì)冷卻水的流量控制可控制發(fā)酵溫度。攪拌轉(zhuǎn)速機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐中攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，從而影響生物細(xì)胞的生長(zhǎng)、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。同時(shí)，攪拌轉(zhuǎn)速的升高增大對(duì)菌體的剪切力，所以對(duì)其有臨界上限范圍。發(fā)酵罐裝液量發(fā)酵罐裝液量大小是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的重要因素，它決定了罐體的裝液系數(shù)，影響發(fā)酵罐的生產(chǎn)效率?？紤]泡沫增大導(dǎo)致的液面升高、排氣帶出一定水分，發(fā)酵需維持最佳液位，必要時(shí)補(bǔ)加培養(yǎng)基和無(wú)菌水。生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)泡沫液位發(fā)酵液面上的泡沫層，如果控制不好，就會(huì)大大降低發(fā)酵罐的有效反應(yīng)空間，使裝料系數(shù)低。甚至導(dǎo)致發(fā)酵液隨泡沫從排氣管溢出造成“逃液”的現(xiàn)象，增大損耗，并增加染菌的機(jī)會(huì)。粘度發(fā)酵液的粘度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細(xì)胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等影響。粘度對(duì)發(fā)酵液的攪拌、混合、溶氧速率、傳質(zhì)、攪拌功率消耗、發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化等均有重要影響。PH是最重要的發(fā)酵過(guò)程參數(shù)之一。與發(fā)酵溫度一樣，菌體發(fā)酵均有最佳的生長(zhǎng)、生產(chǎn)pH范圍，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞及酶的生物催化反應(yīng)的pH要求。同時(shí)產(chǎn)物提取、純化也需控制適當(dāng)?shù)腜H值。生物反應(yīng)過(guò)程程參數(shù)溶氧濃度和氧氧化還原電位位在好氧發(fā)酵過(guò)過(guò)程中，發(fā)酵酵液中均需維維持一定水平平的溶解氧(DO)，以滿足生物細(xì)細(xì)胞呼吸、生生長(zhǎng)及代謝需需要，較大程度地地影響發(fā)酵生生產(chǎn)水平。不不同的發(fā)酵生生產(chǎn)和不同的的發(fā)酵時(shí)間，，均有適宜的的溶氧濃度。。此外，溶氧濃度還可可作為是否染染雜菌或噬菌菌體的間接參參數(shù)。對(duì)于兼性好氧氧發(fā)酵，DO過(guò)高過(guò)低都都不行，目前前DO電極不不易測(cè)定較低低的溶氧濃度度，故用氧化還原電極極電位計(jì)來(lái)測(cè)測(cè)定微小溶氧氧值。CO2濃度對(duì)部分發(fā)酵過(guò)過(guò)程中，發(fā)酵液中溶解解的CO2濃度對(duì)發(fā)酵有有一定的抑制制作用，所以需控制制其濃度。對(duì)于光照自養(yǎng)養(yǎng)微藻培養(yǎng)，，保證其適當(dāng)?shù)臐舛扔杏欣诩?xì)胞產(chǎn)產(chǎn)量的提高。。基質(zhì)濃度發(fā)酵液中糖、、氮、磷等重重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)濃度的變化化對(duì)產(chǎn)物的合合成有著重要要的影響，是是提高代謝產(chǎn)物物產(chǎn)量的重要控制手手段。在發(fā)酵酵過(guò)程中，必必須定時(shí)測(cè)定定糖(還原糖和和總糖)、氮氮(氨基酸或或氨氮)、重重要的無(wú)機(jī)鹽鹽等基質(zhì)的濃度度。生物反應(yīng)過(guò)程程參數(shù)菌體濃度生化反應(yīng)過(guò)程程都是通過(guò)菌體的各種酶酶類來(lái)促使反反應(yīng)進(jìn)行的，所以通過(guò)過(guò)菌體濃度的的測(cè)定，可以以了解生物的的生長(zhǎng)狀態(tài)，，從而控制和和改變生產(chǎn)工工藝、或補(bǔ)料料和供氧，保保證達(dá)到較好好的生產(chǎn)水平平。對(duì)于酶作催化化劑的反應(yīng)，，酶濃度（活活度）是必測(cè)測(cè)的參數(shù)。菌體形態(tài)在生化反應(yīng)過(guò)過(guò)程中，菌體體形態(tài)的變化化也是反應(yīng)其其代謝變化的的重要特征。。可以根據(jù)菌菌體的形態(tài)不不同，作為衡量種子質(zhì)量量、區(qū)分發(fā)酵酵階段、控制制發(fā)酵過(guò)程的的代謝變化和和決定發(fā)酵周周期的依據(jù)之之一。DNA或RNADNA、RNA是細(xì)胞生長(zhǎng)的基基本物質(zhì)，以DNA或或RNA為參參數(shù)可以判斷斷生長(zhǎng)繁殖的的情況，清楚楚地區(qū)分發(fā)酵酵的各個(gè)階段段。8.2生物反應(yīng)過(guò)程程參數(shù)檢測(cè)生物反應(yīng)過(guò)程程參數(shù)的檢測(cè)是為了取得生生物反應(yīng)過(guò)程程及其菌株的的生理生化的的特征數(shù)據(jù)，，以便對(duì)過(guò)程進(jìn)進(jìn)行有效控制制。研究微生物物生長(zhǎng)過(guò)程所所需要的檢測(cè)測(cè)參數(shù)大多是是通過(guò)在反應(yīng)應(yīng)器中配置各各種傳感器和自動(dòng)分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這這些裝置能把把非電量參數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)化為電信信號(hào)，這些信信號(hào)經(jīng)適當(dāng)處處理后，可用用于監(jiān)測(cè)發(fā)酵酵的狀態(tài)、直直接作發(fā)酵閉閉環(huán)控制和計(jì)計(jì)算間接參數(shù)數(shù)。生物傳感器測(cè)測(cè)量原理發(fā)酵過(guò)程對(duì)傳傳感器的要求求發(fā)酵過(guò)程對(duì)傳傳感器的常規(guī)要求為準(zhǔn)確性、精精確度、靈敏敏度、分辨能能力要高，響響應(yīng)時(shí)間滯后后要小，能夠夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定定工作，可靠靠性好，具有有可維修性。。對(duì)發(fā)酵用傳感感器的特殊要求是由發(fā)酵反應(yīng)應(yīng)的特點(diǎn)決定定的，發(fā)酵底底物中含有大大量的微生物物，必須考慮慮衛(wèi)生要求，，發(fā)酵過(guò)程中中不允許有其其他雜菌污染染。傳感器與發(fā)酵酵液直接接觸觸，一般要求求傳感器能與與發(fā)酵液同時(shí)時(shí)進(jìn)行高壓蒸汽滅菌菌，不能耐受蒸蒸汽滅菌的傳傳感器可在罐罐外用其他方方法滅菌后無(wú)菌裝裝入。發(fā)酵過(guò)程中保持無(wú)菌，要要求傳感器與與外界大氣隔隔絕，采用的方法有有蒸汽汽封、、O形圈密封封、套管隔斷斷等。發(fā)酵用傳感器器容易被培養(yǎng)養(yǎng)基和細(xì)菌污污染，應(yīng)選用用不易污染的的材料如不銹鋼，同同時(shí)要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無(wú)無(wú)死角的形狀狀和結(jié)構(gòu)，防防止微生物附附著及干擾，，便于清洗，，不允許泄漏漏。傳感器只與被測(cè)變量量有關(guān)，具有不受過(guò)程中其其他變量和周周圍環(huán)境條件件變化影響的能力，如抗抗氣泡及泡沫沫干擾等。。生物反應(yīng)過(guò)程程參數(shù)檢測(cè)離線測(cè)量是指在一定時(shí)時(shí)間內(nèi)離散取取樣，在反應(yīng)應(yīng)器外進(jìn)行樣樣品處理和分分析測(cè)量，包包括常規(guī)的化學(xué)分析系統(tǒng)統(tǒng)和自動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析析系統(tǒng)。在線檢測(cè)是儀器的電極極等可直接與與反應(yīng)器內(nèi)的的培養(yǎng)基接觸觸或可連續(xù)從從反應(yīng)器中取取樣進(jìn)行分析析測(cè)定，如溶溶氧濃度、pH、罐壓等等；在在線檢檢測(cè)的參數(shù)中中又根據(jù)是否否能直接反映映菌體的生理理代謝狀態(tài)，，分為直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)及間接狀態(tài)參數(shù)數(shù)?？纱致缘匕褭z檢測(cè)儀器分成成在線檢測(cè)和離線檢測(cè)兩大類典型生物狀態(tài)態(tài)變量的測(cè)量量范圍和準(zhǔn)確確度或控制變變量的精度8.2.1直直接狀態(tài)參參數(shù)檢測(cè)直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)是指能反映反反應(yīng)過(guò)程中微微生物的生理理代謝狀況的的參數(shù)，如pH、溶氧濃濃度、溶解CO2、尾氣氣O2、尾氣氣CO2、粘粘度、菌體濃濃度等。發(fā)酵工程中直直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)溫度測(cè)量感溫元件：鉑鉑電阻（精、、穩(wěn)但貴）；；銅電阻（便宜宜、但需長(zhǎng)、、大，易氧化化）；半導(dǎo)體（精、、小、簡(jiǎn)、耐耐腐蝕但非線線形）。二次儀表：溫溫度，0—150℃，與熱電阻型號(hào)號(hào)匹配。直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)熱量測(cè)量（屬屬“微熱量””）①利用熱交換換原理，測(cè)量量一定時(shí)間內(nèi)內(nèi)冷卻水的流流量和冷卻水水進(jìn)出口溫度度（影響因素素較多Q散Q顯Q攪，只能定性和和估計(jì)）②利用溫度變變化率S（℃℃/h）：先先使罐溫恒定定，再關(guān)閉自自控裝置，測(cè)測(cè)量S；③熱力學(xué)方法法：根據(jù)蓋斯斯定律：“在在恒壓和恒容容條件下，一一個(gè)反應(yīng)不論論是一步完成成或幾步完成成，其反應(yīng)熱熱是相同的””。這實(shí)際上上是熱力學(xué)第第一定律的必必然推論，因因?yàn)殪剩℉））是狀態(tài)函數(shù)數(shù)，過(guò)程的焓焓變與途徑無(wú)無(wú)關(guān)，只決定定于過(guò)程的始始態(tài)和終態(tài)。。發(fā)酵熱可根根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃燒燒熱或標(biāo)準(zhǔn)生生成熱來(lái)計(jì)算算。直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)攪拌轉(zhuǎn)速和攪攪拌功率的測(cè)測(cè)量攪拌轉(zhuǎn)速：磁磁感應(yīng)式，，光感應(yīng)式，，測(cè)速電機(jī)；；攪拌功率：（（影響因素：：菌絲濃度、、黏度、沫））方法：功功率表表，測(cè)定力矩矩求功率法。。直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)氣體流量測(cè)定定體積流量型：：會(huì)引起流體能能量損失，受受溫度和壓力力變化的影響響；①同心孔板壓壓差式流量計(jì)計(jì)；②轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)。質(zhì)量流量型：：根據(jù)流體固有有性質(zhì)（質(zhì)量量、導(dǎo)電性、、熱傳導(dǎo)性能能）設(shè)計(jì)的流流量計(jì)。直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)罐壓測(cè)量就地指示；轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)號(hào)（遠(yuǎn)傳）。。選測(cè)、控點(diǎn)時(shí)時(shí)，要避免死死角，防止染染菌。直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)料液計(jì)量與液液位控制壓差法：H=（△P2/△P1）·△H直接重量測(cè)量量法：直接稱稱重體積計(jì)量法：：計(jì)算進(jìn)出料料液流量計(jì)量法：：計(jì)算流量和和時(shí)間液位探針直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)發(fā)酵液粘度測(cè)測(cè)定毛細(xì)管粘度計(jì)計(jì)回轉(zhuǎn)式粘度計(jì)計(jì)渦輪旋轉(zhuǎn)粘度度計(jì)直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)PH測(cè)量復(fù)合PH電極極（滅菌、穩(wěn)定定、流通、耐耐壓）PH測(cè)量?jī)x器器直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)溶解氧的測(cè)量量溶氧電極法：：這是一種參參量變換器：：把溶氧濃度度變成一個(gè)與與之呈線性關(guān)關(guān)系的電流量量，進(jìn)行測(cè)量量，這種溶氧氧電極能耐蒸蒸汽殺菌時(shí)的的高溫，可以以固定裝在發(fā)發(fā)酵罐上，連連續(xù)地測(cè)量培培養(yǎng)液中溶氧氧濃度。亞硫酸鹽氧化化法取樣極普法排氣法直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)直接狀態(tài)參數(shù)數(shù)檢測(cè)溶解二氧化碳碳測(cè)量復(fù)膜式電極法法滲透膜—碳酸酸氫鈉法發(fā)酵尾氣的在在線分析CO2分析氧濃度測(cè)量（（如質(zhì)譜分析析儀）8.2.2間間接狀態(tài)參參數(shù)檢測(cè)間接狀態(tài)參數(shù)數(shù)即可通過(guò)直接接狀態(tài)參數(shù)計(jì)計(jì)算求得的變變量。如氧利用速率率(OUR)、二氧化碳碳釋放速率(CER)、比生產(chǎn)速速率(μ)、體積氧傳傳質(zhì)速率(KLa)、呼吸商商(RQ)等?？赏ㄟ^(guò)過(guò)對(duì)直接反映映菌體生理狀狀態(tài)的間接狀狀態(tài)參數(shù)實(shí)施施過(guò)程控制，，比單純控制制直接狀態(tài)參參數(shù)（環(huán)境變變量）在提高高發(fā)酵產(chǎn)率方方面常常能起起到更加重要要的作用。與傳質(zhì)相關(guān)的的參數(shù)估計(jì)與基基質(zhì)質(zhì)消消耗耗有有關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)與呼呼吸吸代代謝謝有有關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)與細(xì)細(xì)胞胞生生長(zhǎng)長(zhǎng)相相關(guān)關(guān)參參數(shù)數(shù)的的估估計(jì)計(jì)與基基質(zhì)質(zhì)消消耗耗有有關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)以分分批批發(fā)發(fā)酵酵為為例例，，由由基基質(zhì)質(zhì)平平衡衡可可得得基質(zhì)質(zhì)消消耗耗速速率率的計(jì)計(jì)算算公公式式：：如果果發(fā)發(fā)酵酵過(guò)過(guò)程程達(dá)達(dá)到到準(zhǔn)準(zhǔn)穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)…基質(zhì)質(zhì)消消耗耗總總量量可可由由基基質(zhì)質(zhì)消消耗耗速速率率對(duì)對(duì)時(shí)時(shí)間間積積分分進(jìn)進(jìn)行行估估計(jì)計(jì)，，即即：：微生生物物的的呼呼吸吸代代謝謝參參數(shù)數(shù)通通常常有有三三個(gè)個(gè)：：氧利利用用速速率率（（OUR））CO2釋放放速速率率（（CER））呼吸吸商商（RQ）與呼呼吸吸代代謝謝有有關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)呼吸吸商商RQ：：發(fā)酵酵過(guò)過(guò)程程中中氧氧的的消消耗耗比比速速與與二二氧氧化化碳碳生生成成比比速速的的商商。與呼呼吸吸代代謝謝有有關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)呼吸商(RQ)

二氧氧化化碳碳的的釋釋放放速速率率（（CER））通通過(guò)過(guò)發(fā)發(fā)酵酵尾尾氣氣中中二二氧氧化化碳碳等等氣氣體體含含量量的的測(cè)測(cè)定定。。溶氧氧濃濃度度的的計(jì)計(jì)算算溶氧氧傳傳感感器器測(cè)測(cè)量量的的是是溶溶氧氧壓壓，，而而不不是是溶溶氧氧濃濃度度，，它它以以飽飽和和值值(即即與與氣氣相相氧氧分分壓壓平平衡衡的的溶溶氧氧濃濃度度)的的百百分分?jǐn)?shù)數(shù)表表示示。。因因此此，，要要確確知知發(fā)發(fā)酵酵液液中中的的溶溶氧氧濃濃度度，，必必須須首首先先估估計(jì)計(jì)飽飽和和溶溶氧氧濃濃度度。。與傳傳質(zhì)質(zhì)相相關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)大大氣氣壓壓下下氧氧在在純純水水和和一一些些溶溶液液中中的的溶溶解解度度換算算成成實(shí)實(shí)際際操操作作壓壓力力下下的的溶溶解解度度后后，，可可估估計(jì)計(jì)發(fā)發(fā)酵酵液液飽飽和和溶溶氧氧濃濃度度。。液相相體體積積氧氧傳傳遞遞系系數(shù)數(shù)（（KLa））這一一參參數(shù)數(shù)代代表表氧由由氣氣相相溶溶至至液液相相的難難易易程程度度，，它它與與發(fā)發(fā)酵酵過(guò)過(guò)程程控控制制、、放放大大和和反反應(yīng)應(yīng)器器設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)密密切切相相關(guān)關(guān)。。當(dāng)當(dāng)發(fā)發(fā)酵酵液液中中溶溶氧氧濃濃度度保保持持穩(wěn)穩(wěn)定定時(shí)時(shí)，，即即發(fā)發(fā)酵酵過(guò)過(guò)程程中中的的氧氧供供給給量量與與氧氧消消耗耗量量達(dá)達(dá)到到平平衡衡時(shí)時(shí)，，液液相相體體積積氧氧傳傳遞遞系系數(shù)數(shù)可可由由下下式式確確定定：：與傳傳質(zhì)質(zhì)相相關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)（1））生生物物量量測(cè)定定生生物物量量的的方方法法雖雖然然很很多多，，但但對(duì)對(duì)于于培培養(yǎng)養(yǎng)基基中中含含有有固固形形物物及及絲絲狀狀菌菌來(lái)來(lái)說(shuō)說(shuō)，，都都不不是是十十分分令令人人滿滿意意。。因因此此，，這這類類發(fā)發(fā)酵酵過(guò)過(guò)程程中中的的生生物物量量，，——般般以以間間接接方方法法進(jìn)進(jìn)行行估估計(jì)計(jì)，，方方法法主主要要有有由由氧消消耗耗率率估估計(jì)計(jì)和由由CO2釋放放率率估估計(jì)計(jì)兩種種。。與細(xì)細(xì)胞胞生生長(zhǎng)長(zhǎng)相相關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)與細(xì)細(xì)胞胞生生長(zhǎng)長(zhǎng)相相關(guān)關(guān)的的參參數(shù)數(shù)估估計(jì)計(jì)（2））菌菌體體比比生生長(zhǎng)長(zhǎng)速速率率和和產(chǎn)產(chǎn)物物比比產(chǎn)產(chǎn)生生速速率率由以以上上生生物物量量的的估估計(jì)計(jì)結(jié)結(jié)果果，，可可分分別別得得出出菌菌體體比比生生長(zhǎng)長(zhǎng)速速率率和和產(chǎn)產(chǎn)物物比比產(chǎn)產(chǎn)生生速速率率。。8.3發(fā)酵酵過(guò)過(guò)程程的的自自動(dòng)動(dòng)控控制制生物物反反應(yīng)應(yīng)過(guò)過(guò)程程的的自自動(dòng)動(dòng)控控制制是根根據(jù)據(jù)對(duì)對(duì)過(guò)過(guò)程程變變量量的的有有效效測(cè)測(cè)量量及及對(duì)對(duì)過(guò)過(guò)程程變變化化規(guī)規(guī)律律的的認(rèn)認(rèn)識(shí)識(shí)，，借借助助于于由由自自動(dòng)動(dòng)化化儀儀表表和和電電子子計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)組組成成的的控控制制器器，，操操縱縱其其中中一一些些關(guān)關(guān)鍵鍵變變量量，，使使過(guò)過(guò)程程向向著著預(yù)預(yù)定定的的目目標(biāo)標(biāo)發(fā)發(fā)展展。。生物物反反應(yīng)應(yīng)過(guò)過(guò)程程的的自自動(dòng)動(dòng)控控制制包含含以以下下三三個(gè)個(gè)方方面面的的內(nèi)內(nèi)容容：：1、、和過(guò)過(guò)程程的的未未來(lái)來(lái)狀狀態(tài)態(tài)相相聯(lián)聯(lián)系系的的控控制制目目的的或或目目標(biāo)標(biāo)，，如要要求求控控制制的的溫溫度度、、pH、、生生物物量量濃濃度度等等等等；；2、、一組組可可供供選選擇擇的的控控制制動(dòng)動(dòng)作作，，如閥閥門門的的開開、、關(guān)關(guān)，，泵泵的的開開、、停停等等；；3、、一種能能夠預(yù)預(yù)測(cè)控控制動(dòng)動(dòng)作對(duì)對(duì)過(guò)程程狀態(tài)態(tài)影響響的模模型，，如用加加入基基質(zhì)的的濃度度和速速率控控制細(xì)細(xì)胞生生長(zhǎng)速速率時(shí)時(shí)需要要能表表達(dá)它它們之之間相相關(guān)關(guān)關(guān)系的的數(shù)學(xué)學(xué)式。。8.3.1基基本自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)變量測(cè)測(cè)量和和變化化規(guī)律律的認(rèn)認(rèn)識(shí)→→控制制器(自動(dòng)動(dòng)化儀儀表、計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)組成成)→→控控制關(guān)關(guān)鍵變變量→→控制制發(fā)酵酵過(guò)程程1、基本的的自動(dòng)動(dòng)控制制系統(tǒng)統(tǒng)①前饋饋控制制②反饋饋控制制③自適適應(yīng)控控制2、發(fā)酵自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)的的硬件件組成成8.3.1.1前饋控控制前饋控控制通過(guò)動(dòng)動(dòng)態(tài)反反應(yīng)快快的變變量測(cè)測(cè)量來(lái)來(lái)預(yù)測(cè)測(cè)反應(yīng)應(yīng)慢、、易干干擾的的被控控對(duì)象象的變變化，，并提提前實(shí)實(shí)施控控制。。如：通通過(guò)冷冷卻水水壓力力（控控制閥閥）控控制溫溫度變變化。。8.3.1.2反反饋控控制反饋控控制反饋控控制是是自動(dòng)動(dòng)控制制的主主要方方式控制器被控對(duì)象傳感器反饋控控制根據(jù)算算法不不同反反饋控控制可可分為為：開關(guān)控控制：：控制閥閥門的的全開開全關(guān)關(guān)；PID控制制：采用比比例、、積分分、微微分控控制算算法；；串聯(lián)反反饋控控制：：兩個(gè)以以上控控制器器對(duì)一一變量量實(shí)施施聯(lián)合合控制制；前饋/反饋饋控制制：前饋控控制與與反饋饋控制制相結(jié)結(jié)合。。開關(guān)控控制TS：：溫度度傳感感器；；x(t)：檢檢測(cè)量量；ub(t)：加加熱控控制輸輸出量量；uc(t)：冷冷卻控控制輸輸出量量發(fā)酵溫溫度的的開關(guān)關(guān)控制制系統(tǒng)統(tǒng)PID控控制P、I、D、PI、、PID控控制器器對(duì)輸輸入量量的階階躍響響應(yīng)Xi：：輸入入量；；Xo：輸輸入量量；t：時(shí)時(shí)間串級(jí)反饋控制制DOS：溶氧氧傳感器；x(t)：檢檢測(cè)器；u1(t)：一一級(jí)控制輸出出；u2(t)：二級(jí)控控制輸出溶氧水平的串串級(jí)反饋控制制前饋/反饋控控制污水處理的前前/反饋控制制系統(tǒng)SS：懸浮固固體含量傳感感器FRC：流量量記錄和控制制器8.3.1.3自適應(yīng)應(yīng)控制自適應(yīng)控制：提取有關(guān)輸入入、輸出信息息，對(duì)模型和和參數(shù)不斷進(jìn)進(jìn)行辯識(shí)，使使模型逐漸完完善；同時(shí)自自動(dòng)修改控制制器的動(dòng)作，，適應(yīng)實(shí)際過(guò)過(guò)程?！宰赃m應(yīng)控制系系統(tǒng)。8.3.1.3自自適應(yīng)應(yīng)控制制發(fā)酵過(guò)過(guò)程各各變量量可供供選擇擇的控控制系系統(tǒng)8.3.2發(fā)發(fā)酵自自控系系統(tǒng)的的硬件件結(jié)構(gòu)構(gòu)傳感器器變送器器執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)電磁閥閥、氣氣動(dòng)控控制閥閥、電電動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)閥閥、變變速電電機(jī)、、正位移移泵、、蠕動(dòng)動(dòng)泵。。轉(zhuǎn)換器器過(guò)程接接口監(jiān)控計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)模糊邏邏輯控控制的的應(yīng)用用人工神神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)專專家系系統(tǒng)的的應(yīng)用用8.3.3先先進(jìn)控控制理理論在在發(fā)酵酵過(guò)程程控制制中的的應(yīng)用用8.3.3.1模模糊邏邏輯控控制的的應(yīng)用用模糊邏邏輯控控制是以模模糊集集合論論、模模糊語(yǔ)語(yǔ)言變變量和和模糊糊邏輯輯推理理為基基礎(chǔ)的的一種種新興興的計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)數(shù)字字控制制技術(shù)術(shù)。其其實(shí)質(zhì)質(zhì)是一一種非線性性控制制，從屬屬于智智能控控制的的范疇疇。模模糊控控制的的一大特特點(diǎn)是是既具具有系系統(tǒng)化化的理理論，，又有有著大大量實(shí)實(shí)際應(yīng)應(yīng)用背背景。模糊糊控制制的控控制規(guī)規(guī)則來(lái)來(lái)源依賴于于設(shè)計(jì)計(jì)人員員的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，因此此設(shè)計(jì)計(jì)人員員經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)的正正確與與否以以及是是否最最優(yōu)，，直接接關(guān)系系到整整個(gè)模模糊控控制器器的